JP4929075B2 - Solid-state imaging device, driving method thereof, and imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置およびカメラシステムおよび駆動方法に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a camera system, and a driving method.
近年、CMOSイメージセンサの信号読み出し方式について、様々なものが提案されている。一般的には、画素アレイの中のある一行の画素を選択し、それら画素で生じた信号を同時に列方向へと読み出す列並列出力型のCMOSイメージセンサがよく用いられている。 In recent years, various signal readout methods for CMOS image sensors have been proposed. In general, a column parallel output type CMOS image sensor that selects pixels in one row in the pixel array and simultaneously reads signals generated in these pixels in the column direction is often used.
その中で、特許文献1に示された従来のCMOSイメージセンサについて図7を用いて説明する。図7は、AD変換装置を画素部と同一の半導体基盤に搭載した従来例のCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略構成図である。
Among them, a conventional CMOS image sensor disclosed in
図7に示すように、この固体撮像装置1は、複数の単位画素3が行および列に配列された画素部(撮像部)10と、画素部10の外側に設けられた駆動制御部7と、垂直列ごとに配されたカラムAD回路25を有するカラム処理部26と、カラム処理部26のカラムAD回路25にAD変換用の参照電圧を供給するDAC(Digital Analog Converter)を有して構成された参照信号生成部27と、出力回路28とを備えている。
As shown in FIG. 7, the solid-
また、駆動制御部7は、列アドレスや列走査回路を制御する水平走査回路(列走査回路)12と、行アドレスや行走査回路を制御する垂直走査回路(行走査回路)14と、端子5aを介してマスタークロックCLK0を受け取り、種々の内部クロックを生成し水平走査回路12や垂直走査回路14などを制御する通信・タイミング制御部20を備えている。
The drive control unit 7 also includes a horizontal scanning circuit (column scanning circuit) 12 that controls column addresses and column scanning circuits, a vertical scanning circuit (row scanning circuit) 14 that controls row addresses and row scanning circuits, and a
また、各単位画素3は、垂直走査回路14で制御される行制御線15や画素信号をカラム処理部26に伝達する垂直信号線19と接続される。
Each
また、カラムAD回路25は、参照信号生成部27で生成される参照電圧RAMPと、行制御線15(V1、V2、・・・)ごとに単位画素3から垂直信号線19(H0、H1、・・・)を経由し得られるアナログの画素信号とを比較する電圧比較部252と、電圧比較部252が比較処理を完了するまでの時間をカウンタ部254を利用してカウントした結果を保持するメモリとして構成されたデータ記憶部256と、を備えて構成され、nビットAD変換機能を有している。
Further, the column AD circuit 25 includes the reference voltage RAMP generated by the
また、電圧比較部252の一方の入力端子RAMPは、他の電圧比較部252の入力端子RAMPと共通に、参照信号生成部27で生成される階段状の参照電圧RAMPが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する垂直列の垂直信号線19が接続され、画素部10から画素信号電圧が個々に入力される。また、電圧比較部252の出力信号はカウンタ部254に供給される。
Also, one input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252 receives the stepped reference voltage RAMP generated by the reference
また、ADCの回路構成について、コンパレータ(電圧比較器)に参照電圧RAMPを供給すると同時にクロック信号でのカウント(計数)を開始し、垂直信号線19を介して入力されたアナログの画素信号を参照電圧RAMPと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでAD変換を行う。 As for the circuit configuration of the ADC, the reference voltage RAMP is supplied to the comparator (voltage comparator), and at the same time, counting with the clock signal is started, and the analog pixel signal input via the vertical signal line 19 is referred to. The AD conversion is performed by counting until a pulse signal is obtained by comparing with the voltage RAMP.
なお、この際にAD変換とともに、垂直信号線19を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル(ノイズレベル)と真の(受光光量に応じた)信号レベルVsigとの差分をとる処理を行う。これにより固定パターンノイズ(FPN:Fixed Pattern Noise)やリセットノイズと呼ばれるノイズ信号成分を取り除くことができる。図7は、ノイズレベルをダウンカウントし、信号レベルをアップカウントすることで真の信号レベルVsigのみを取り出す構成である。 At this time, the signal level (noise level) immediately after the pixel reset and the true signal level (according to the amount of received light) with respect to the voltage mode pixel signal input through the vertical signal line 19 together with AD conversion. A process of taking a difference from Vsig is performed. As a result, noise signal components called fixed pattern noise (FPN) and reset noise can be removed. FIG. 7 shows a configuration in which only the true signal level Vsig is extracted by down-counting the noise level and up-counting the signal level.
また、このカラムAD回路25でデジタル化された画素データは、水平走査回路12からの水平選択信号により駆動される図示しない水平選択スイッチを介して水平信号線18に伝送され、さらに出力回路28に入力される。
Further, the pixel data digitized by the column AD circuit 25 is transmitted to the
以上の構成によって、電荷生成部としての受光素子が行列状に配された画素部10からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列上に配された画素部10に対する1枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部10全体の画素信号の集合で示されることとなる。 With the above configuration, pixel signals are sequentially output for each vertical column for each row from the pixel unit 10 in which light receiving elements as charge generation units are arranged in a matrix. Then, one image, that is, a frame image for the pixel unit 10 in which the light receiving elements are arranged on the matrix is shown as a set of pixel signals of the entire pixel unit 10.
次に図7と図9のタイミングチャートを用いて、従来技術に示された固体撮像装置に搭載されているカラムAD回路の詳細動作について説明する。 Next, detailed operations of the column AD circuit mounted on the solid-state imaging device shown in the prior art will be described with reference to timing charts of FIGS.
まず、1回目の読み出しのため、まず通信・タイミング制御部20は、カウンタ部254のカウント値を初期値"0"にリセットさせるとともに、カウンタ部254をダウンカウントモードに設定する。そして、任意の行Hxの単位画素3から垂直信号線19(H1、H2、・・・)への1回目の読み出しが安定した後、通信・タイミング制御部20は、参照信号生成部27に向けて、参照電圧RAMP生成用の制御データ4を供給する。
First, for the first reading, the communication /
これを受けて、参照信号生成部27は、電圧比較部252の一方の入力端子RAMPへの比較電圧として、全体として鋸歯状(RAMP状)に時間変化させた階段状の波形(RAMP波形)を入力する。電圧比較部252は、このRAMP波形の比較電圧と画素部10から供給される任意の垂直信号線19(Vx)の画素信号電圧とを比較する。
In response to this, the reference
また、電圧比較部252の入力端子RAMPへの参照電圧RAMP波形の参照電圧RAMP入力と同時に、電圧比較部252における比較時間を、行ごとに配置されたカウンタ部254で計測するために、参照信号生成部27から発せられるランプ波形電圧に同期して(t10)、カウンタ部254のクロック端子に通信・タイミング制御部20からカウントクロックCK0を入力し、1回目のカウント動作として、初期値"0"からダウンカウントを開始する。
In addition, at the same time as the reference voltage RAMP input of the reference voltage RAMP waveform to the input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252, the reference signal is used to measure the comparison time in the voltage comparison unit 252 with the counter unit 254 arranged for each row. In synchronization with the ramp waveform voltage generated from the generation unit 27 (t10), the count clock CK0 is input from the communication /
また、電圧比較器252は、参照信号生成部27からのランプ状の参照電圧RAMPと垂直信号線19を介して入力される画素信号電圧Vxとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をHレベルからLレベルへ反転させる(t12)。
The voltage comparator 252 compares the ramp-shaped reference voltage RAMP from the reference
つまり、リセット成分Vrstに応じた電圧信号と参照電圧RAMPを比較して、リセット成分Vrstの大きさに対応した時間軸方向に大きさをカウントクロックCK0でカウント(計数)することで、リセット成分Vrstの大きさに対応したカウント値を得る。言い換えれば、カウンタ部254は、RAMP波形の変化の開始時点(つまりカウンタ部254のカウント開始時点)から電圧比較器252の出力が反転するまでの時間をカウントすることにより、リセット成分Vrstの大きさに対応したカウント値を得る。 That is, the voltage signal corresponding to the reset component Vrst is compared with the reference voltage RAMP, and the magnitude is counted (counted) with the count clock CK0 in the time axis direction corresponding to the magnitude of the reset component Vrst, whereby the reset component Vrst. A count value corresponding to the size of is obtained. In other words, the counter unit 254 counts the magnitude of the reset component Vrst by counting the time from when the RAMP waveform change starts (that is, when the counter unit 254 starts counting) until the output of the voltage comparator 252 is inverted. A count value corresponding to is obtained.
また、通信・タイミング制御部20は、所定のダウンカウント期間を経過すると(t14)、電圧比較部252への制御データの供給と、カウント部254へのカウントクロックCK0の供給とを停止する。これにより、電圧比較部252は、ランプ状の参照電圧RAMPの生成を停止する。
In addition, when a predetermined down-count period has elapsed (t14), the communication /
この1回目の読み出し時は、画素信号電圧VxにおけるリセットレベルVrstを電圧比較部252で検知してカウント動作を行っているので、単位画素3のリセット成分ΔVを読み出していることになる。
At the time of the first reading, since the reset level Vrst in the pixel signal voltage Vx is detected by the voltage comparison unit 252 and the count operation is performed, the reset component ΔV of the
続いて、2回目の読み出し時には、リセット成分ΔVに加えて、単位画素3ごとの入射光量に応じた信号成分Vsigを読み出す動作を行う。1回目の読み出しと異なる点は、カウンタ部254をアップカウントモードに設定する点である。1回目の読み出しと同様の読み出しを行うことで、信号成分Vsigの大きさに対応したカウント値を得る。
Subsequently, in the second reading, in addition to the reset component ΔV, an operation of reading the signal component Vsig corresponding to the amount of incident light for each
図7と図9では、カウンタ部254におけるカウント動作を1回目の読み出し時にはダウンカウント、2回目の読み出し時にはアップカウントとしているので、カウンタ部254内で自動的に減算が行われ、カウンタ値0に対して、Vsig信号成分のみをカウント値として取り出す。
特許文献1に示された従来技術の列並列出力型のAD変換構成は、画素のアナログ信号読み出しとリセット読み出しの間の期間にリセット成分のAD変換動作を行う必要があるため、図9に示すAD変換期間を短くすることが困難という第1の課題を有している。
The conventional column-parallel output AD conversion configuration disclosed in
また、AD変換構成は、画素信号成分のAD変換動作が終了した後に画素のアナログリセット読み出しを行うため、図9に示すAD変換期間を短くすることが困難という第2の課題を有している。 Further, the AD conversion configuration has a second problem that it is difficult to shorten the AD conversion period shown in FIG. 9 because the analog reset readout of the pixel is performed after the AD conversion operation of the pixel signal component is completed. .
第1および第2の課題を有することで、AD変換のビット数が増える、あるいは、画素混合等の駆動動作により1水平走査期間内に必要なAD変換期間が長くなると、AD変換期間が信号出力期間よりも長くなり、列並列出力型の固体撮像装置、列毎にAD変換回路を設ける固体撮像装置の特徴となる高速読み出しが困難となる。 Having the first and second problems increases the number of AD conversion bits, or if the AD conversion period required within one horizontal scanning period becomes longer due to a driving operation such as pixel mixing, the AD conversion period is output as a signal. It becomes longer than the period, and it becomes difficult to perform high-speed readout, which is a feature of a solid-state imaging device of column parallel output type and a solid-state imaging device provided with an AD conversion circuit for each column.
また、第1の課題を有することで、列AD回路を設けない従来のアナログ読み出し回路を有する固体撮像装置に対して、CDS(Correlated Double Sampling)期間がリセット成分のAD変換動作期間分長くなることで、画素ソースフォロア回路(画素SF回路)の1/fノイズが大きくなり、特に暗時の固定パターンノイズ(ざら)が劣化するといった第3の課題を有している。 Further, by having the first problem, the CDS (Correlated Double Sampling) period becomes longer by the AD conversion operation period of the reset component, compared to the solid-state imaging device having the conventional analog readout circuit without the column AD circuit. Thus, there is a third problem that the 1 / f noise of the pixel source follower circuit (pixel SF circuit) increases, and in particular, the fixed pattern noise (roughness) in the dark deteriorates.
また、CDS期間が長くなることで、信号成分の読み出し時に画素部電荷保持FD(Floating Diffusion)部での信号保持期間が長くなり、FD部のリークの影響が大きくなり、暗時の固定パターンノイズ(ざら、キズ)が劣化するといった第4の課題を有している。 Further, since the CDS period becomes longer, the signal holding period in the pixel part charge holding FD (Floating Diffusion) part becomes longer at the time of reading out the signal component, the influence of the leakage in the FD part becomes larger, and the fixed pattern noise in the dark time. There is a fourth problem that (roughness, scratches) deteriorate.
本発明は、CDS期間を短縮しノイズの発生を抑制する、列AD変換部を有する固体撮像装置、その駆動方法およびカメラを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device having a column AD conversion unit, a driving method thereof, and a camera that shorten the CDS period and suppress the generation of noise.
上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、行列状に2次元配列された複数の画素部と、前記複数の画素部の列毎に設けられ、対応する列中の画素部から出力されるアナログ信号を保持する信号保持手段と、前記複数の画素部の列毎に設けられ、前記信号保持手段に保持されたアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換手段とを備える。 In order to solve the above problems, a solid-state imaging device according to the present invention is provided for each of a plurality of pixel units arranged in a two-dimensional matrix and for each column of the plurality of pixel units, and is output from the pixel unit in the corresponding column. Signal holding means for holding analog signals, and AD conversion means provided for each column of the plurality of pixel portions and for converting the analog signals held in the signal holding means into digital signals.
この構成によれば、複数の画素部とAD変換手段の間に信号保持手段を備えるので、AD変換手段がデジタル信号に変換する動作と、複数の画素部からアナログ信号を読み出す動作とが並列に行なうことを可能にする。この並列化により、AD変換する場合であってもCDS期間を短縮することができる。CDS期間を短縮することにより、1/fノイズの発生を抑制する効果が高まり、特に暗時に発生するざら成分を抑制することができる。 According to this configuration, since the signal holding unit is provided between the plurality of pixel units and the AD conversion unit, the operation of the AD conversion unit converting into a digital signal and the operation of reading the analog signal from the plurality of pixel units are performed in parallel. Makes it possible to do. This parallelization can shorten the CDS period even when AD conversion is performed. By shortening the CDS period, the effect of suppressing the occurrence of 1 / f noise is enhanced, and in particular, rough components that occur in the dark can be suppressed.
ここで、前記信号保持手段は、対応する列中の画素部から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有するようにしてもよい。 Here, the signal holding means is connected to the column signal line via the switch element connected to the column signal line for transmitting the analog signal output from the pixel portion in the corresponding column, A capacitor element that holds the analog signal may be included.
この構成によれば、簡単な回路により信号保持手段を構成することができる。
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記AD変換手段による変換動作中に前記スイッチ素子をオフ状態に維持し、前記AD変換手段による変換動作と、前記画素部から前記列信号線にアナログ信号を読み出す動作とを並列に駆動する駆動制御手段を備えるようにしてもよい。
According to this configuration, the signal holding means can be configured with a simple circuit.
Here, the solid-state imaging device further maintains the switch element in an OFF state during the conversion operation by the AD conversion unit, and performs an analog signal from the pixel unit to the column signal line by the conversion operation by the AD conversion unit. A drive control means for driving in parallel with the operation of reading out may be provided.
この構成によれば、画素の信号成分のAD変換期間に、画素信号のアナログ出力部と信号保持手段とを電気的に遮断することが可能となり、画素部内の電荷保持手段で発生するリーク成分が信号保持手段に伝達されないようにすることができる。 According to this configuration, the analog output unit of the pixel signal and the signal holding unit can be electrically cut off during the AD conversion period of the signal component of the pixel, and a leak component generated by the charge holding unit in the pixel unit is prevented. It can be prevented from being transmitted to the signal holding means.
ここで、各画素部は、光を信号電荷に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段信号から転送される信号電荷を保持する電荷保持手段と、前記電荷保持手段の信号電荷を増幅する増幅手段と、前記電荷保持手段の信号電荷をリセットするリセット手段とを備え、前記固体撮像装置は、さらに、前記複数の画素部、信号保持手段およびAD変換手段を駆動する駆動制御手段を備え、前記駆動制御手段は、第1〜第4の期間の各動作を駆動し、前記第1の期間では、前記電荷保持手段がリセットされた状態で、前記増幅手段から出力されるリセット成分のアナログ信号を画素部から読み出し、前記第2の期間では、前記信号保持手段に保持されたリセット成分のアナログ信号をデジタル信号に変換し、前記第3の期間では、前記電荷保持手段が前記光電変換手段信号から転送された信号電荷を保持した状態で、前記増幅手段から出力される信号成分のアナログ信号を画素部から読み出し、前記第4の期間では、前記信号保持手段に保持された信号成分のアナログ信号をデジタル信号に変換し、前記駆動制御手段は、前記第2の期間および前記第3の期間の組と、前記第4の期間および他の行の画素部に対する第1の期間の組のうち少なくとも一方の組の期間が重複するように駆動するようにしてもよい。 Here, each pixel unit includes photoelectric conversion means for converting light into signal charges, charge holding means for holding signal charges transferred from the photoelectric conversion means signals, and amplification for amplifying signal charges of the charge holding means. And a reset means for resetting a signal charge of the charge holding means, and the solid-state imaging device further comprises a drive control means for driving the plurality of pixel units, the signal holding means and the AD conversion means, The drive control unit drives each operation in the first to fourth periods, and in the first period, the reset component analog signal output from the amplifying unit is output in a state where the charge holding unit is reset. In the second period, read out from the pixel portion, the analog signal of the reset component held in the signal holding unit is converted into a digital signal. In the third period, the charge holding unit In the state where the signal charge transferred from the photoelectric conversion means signal is held, the analog signal of the signal component output from the amplification means is read from the pixel unit, and held in the signal holding means in the fourth period. An analog signal of a signal component is converted into a digital signal, and the drive control means includes a set of the second period and the third period, and a first period for the pixel period of the fourth period and other rows. You may make it drive so that the period of at least one set may overlap.
ここで、前記駆動制御手段は、前記第2の期間と前記第3の期間とが重複するように駆動するようにしてもよい。 Here, the drive control means may be driven so that the second period and the third period overlap.
ここで、前記信号保持手段は、対応する列中の画素部から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、前記駆動制御手段は、前記スイッチ素子をオンすることによって前記第1の期間で出力されるリセット成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、第2の期間における変換の間前記スイッチ素子をオフ状態にするようにしてもよい。 Here, the signal holding means is connected to the column signal line via the switch element connected to the column signal line for transmitting the analog signal output from the pixel portion in the corresponding column, A capacitive element that holds the analog signal, and the drive control unit causes the capacitive element to hold an analog signal of a reset component that is output in the first period by turning on the switch element. The switch element may be turned off during the conversion in the period 2.
この構成によれば、第2の期間と第3の期間とが重複するので、AD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換するのと並行して、画素部から信号成分のアナログ信号を読み出すことが可能となる。しかも、画素部内の電荷保持手段で発生するリーク成分が信号保持手段に伝達されないようにすることができる。 According to this configuration, since the second period and the third period overlap, the analog signal of the signal component is output from the pixel unit in parallel with the AD conversion unit converting the reset component of the pixel into a digital signal. It can be read out. In addition, it is possible to prevent leakage components generated in the charge holding means in the pixel portion from being transmitted to the signal holding means.
ここで、前記駆動制御手段は、前記第4の期間と他の行の画素部に対する第1の期間とが重複するように駆動するようにしてもよい。 Here, the drive control means may drive so that the fourth period overlaps with the first period for the pixel portions in other rows.
ここで、前記信号保持手段は、対応する列中の画素部から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、前記駆動制御手段は、前記スイッチ素子をオンすることによって前記第3の期間で出力される信号成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、第4の期間における変換の間前記スイッチ素子をオフ状態に維持するようにしてもよい。 Here, the signal holding means is connected to the column signal line via the switch element connected to the column signal line for transmitting the analog signal output from the pixel portion in the corresponding column, A capacitive element that holds the analog signal, and the drive control unit causes the capacitive element to hold an analog signal of a signal component that is output in the third period by turning on the switch element. The switch element may be maintained in the OFF state during the conversion in the period 4.
この構成によれば、第4の期間と他の行の画素部に対する第1の期間とが重複するので、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換するのと並行して、増幅手段が他の行の画素のリセット成分をアナログ出力することが可能となる。しかも、画素部内の電荷保持手段で発生するリーク成分が信号保持手段に伝達されないようにすることができる。 According to this configuration, since the fourth period overlaps with the first period for the pixel portions in the other rows, the amplifying unit is parallel to the AD conversion unit converting the signal component of the pixel into a digital signal. However, it is possible to output the reset components of pixels in other rows in an analog manner. In addition, it is possible to prevent leakage components generated in the charge holding means in the pixel portion from being transmitted to the signal holding means.
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記複数の画素部の列毎に設けられ、対応する列中の画素部から出力されるアナログ信号を増幅し、前記スイッチ素子を介してする前記容量素子に接続されたカラムアンプを備えるようにしてもよい。 Here, the solid-state imaging device is further provided for each column of the plurality of pixel units, amplifies an analog signal output from the pixel unit in the corresponding column, and the capacitive element via the switch element You may make it provide the column amplifier connected to.
この構成によれば、画素部からのアナログ信号の電圧出力を増幅することが可能となり、S/Nの改善やゲインの切り替えが可能となる。 According to this configuration, it is possible to amplify the voltage output of the analog signal from the pixel unit, and it is possible to improve the S / N and switch the gain.
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法およびカメラは、上記固体撮像装置と同様の構成および効果を有する。 In addition, the driving method and the camera of the solid-state imaging device of the present invention have the same configuration and effects as the above-described solid-state imaging device.
本発明に係る固体撮像装置によれば、画素のアナログ信号読み出し動作とAD変換手段によるAD変換動作を並列して行うことができ、画素読み出しのCDS期間を短縮することができる。CDS期間を短縮することで、上述した1/fノイズの発生を抑制することが可能となり、特に暗時に発生するざら成分を抑制することができる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, the pixel analog signal readout operation and the AD conversion operation by the AD conversion means can be performed in parallel, and the CDS period for pixel readout can be shortened. By shortening the CDS period, it is possible to suppress the occurrence of the above-described 1 / f noise, and it is possible to suppress a rough component that occurs particularly in the dark.
また、画素の信号成分のAD変換期間に、画素信号のアナログ出力部と信号保持手段を電気的に遮断することが可能となり、画素内FD部で発生するリーク成分が信号保持手段に伝達されないようにすることができる。 Further, the analog output portion of the pixel signal and the signal holding means can be electrically cut off during the AD conversion period of the signal component of the pixel, so that the leak component generated in the FD portion in the pixel is not transmitted to the signal holding means. Can be.
更に、画素のリセット成分のアナログ読み出し期間と画素の信号成分のアナログ読み出し期間を等しくすることで画素リセット読み出しの状態と画素の信号読み出しの状態を同じにすることが可能となり、CDSでのノイズ除去効果が大きくなる。たとえば、FD部が安定するまでの期間に関して、画素中央部と画素周辺部で差があったとしても、その変動値が画素中央部と画素周辺部で異なったとしても、各々の箇所でリセット時と信号読み出し時で同じであれば、CDSでノイズ除去が可能であり、画像のシェーディング不具合を抑制することが可能となる。 Further, by making the analog readout period of the pixel reset component and the analog readout period of the pixel signal component equal, it is possible to make the pixel reset readout state and the pixel signal readout state the same, and noise removal in CDS The effect is increased. For example, even if there is a difference between the pixel central portion and the pixel peripheral portion regarding the period until the FD portion is stabilized, even if the variation value differs between the pixel central portion and the pixel peripheral portion, If it is the same at the time of signal readout, noise can be removed by CDS and shading defects of the image can be suppressed.
また、CDS期間を短縮することで、1水平走査期間を短縮することができる。特にAD変換のビット数が多い場合、画素混合など1水平走査期間中に多数行のAD変換動作が必要な場合などにおいては、画素のAD変換期間が画素の水平走査期間よりも長くなるため、CDS期間短縮による高速化の効果が大きくなる。 Further, by shortening the CDS period, one horizontal scanning period can be shortened. In particular, when the number of AD conversion bits is large, the AD conversion period of the pixels becomes longer than the horizontal scanning period of the pixels when AD conversion operations of a large number of rows are required during one horizontal scanning period such as pixel mixing. The effect of speeding up by shortening the CDS period is increased.
以下に詳細を説明する本発明の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法、撮像装置は、光電変換手段、信号電荷蓄積手段、リセット手段、及び増幅手段を少なくとも備えた行列状に2次元配列された複数の画素と、複数の画素に対して列毎に配置され、各画素の増幅手段により出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD(アナログ/デジタル)変換手段と、を備えた固体撮像装置において、複数の画素に設ける増幅手段が画素のリセット成分をアナログ出力する第1の期間と、列毎に設けるAD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換する第2の期間と、増幅手段が画素の信号成分をアナログ出力する第3の期間と、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換する第4の期間と、が存在し、第2の期間と第3の期間を重複する。 A solid-state imaging device and a driving method thereof according to an embodiment of the present invention, which will be described in detail below, and an imaging device are two-dimensionally arranged in a matrix having at least a photoelectric conversion unit, a signal charge storage unit, a reset unit, and an amplification unit A solid-state device including a plurality of pixels and an AD (analog / digital) conversion unit that is arranged for each of the plurality of pixels in a column and converts an analog signal output from the amplification unit of each pixel into a digital signal. In the imaging apparatus, a first period in which the amplifying unit provided in the plurality of pixels outputs the reset component of the pixel in analog, a second period in which the AD conversion unit provided for each column converts the pixel reset component into a digital signal, There is a third period in which the amplification means analogly outputs the signal component of the pixel, and a fourth period in which the AD conversion means converts the signal component of the pixel into a digital signal. Duplicate the period and the third period of.
この構成によれば、AD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換する期間に増幅手段が画素の信号成分をアナログ出力することが可能となるため、画素アナログ出力とAD変換手段のデジタル変換を並列して行うことができる。 According to this configuration, since the amplifying unit can output the pixel signal component in analog during the period in which the AD conversion unit converts the pixel reset component into a digital signal, the pixel analog output and the digital conversion of the AD conversion unit can be performed. Can be performed in parallel.
また、光電変換手段、信号電荷蓄積手段、リセット手段、及び増幅手段を少なくとも備えた行列状に2次元配列された複数の画素と、複数の画素に対して列毎に配置され、各画素の増幅手段により出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換手段と、を備え、複数の画素に設ける増幅手段が画素のリセット成分をアナログ出力する第1の期間と、列毎に設けるAD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換する第2の期間と、増幅手段が画素の信号成分をアナログ出力する第3の期間と、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換する第4の期間と、が存在し、第1の期間と第4の期間を重複する。 Also, a plurality of pixels arranged two-dimensionally in a matrix having at least a photoelectric conversion unit, a signal charge storage unit, a reset unit, and an amplification unit, and a plurality of pixels are arranged for each column, and amplification of each pixel AD conversion means for converting an analog signal output by the means into a digital signal, and a first period during which the amplification means provided in the plurality of pixels outputs the reset component of the pixel in analog, and AD conversion means provided for each column Includes a second period in which the reset component of the pixel is converted into a digital signal, a third period in which the amplifying unit outputs the signal component of the pixel in analog, and a fourth period in which the AD conversion unit converts the signal component of the pixel into a digital signal. And the first period overlaps the fourth period.
この構成によれば、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換する期間に増幅手段が次行の画素のリセット成分をアナログ出力することが可能となるため、画素アナログ出力とAD変換手段のデジタル変換を並列して行うことができる。 According to this configuration, since the amplifying unit can analog-output the reset component of the pixel in the next row during the period in which the AD converting unit converts the signal component of the pixel into a digital signal, the pixel analog output and the AD converting unit Can be performed in parallel.
また、前記増幅手段とAD変換手段との間に、増幅手段により出力される信号保持手段を設けることが好ましい。例えば画素のアナログリセット信号を信号保持手段に保持することで、画素の信号成分のアナログ読み出し期間中にリセット成分のAD変換を並列して行うことができる。また画素の信号成分のアナログ信号を信号保持手段に保持することで、次行の画素のリセット成分のアナログ読み出し期間中に当該行の信号成分のAD変換を並列して行うことができる。 Further, it is preferable to provide a signal holding means output by the amplifying means between the amplifying means and the AD converting means. For example, by holding the analog reset signal of the pixel in the signal holding unit, AD conversion of the reset component can be performed in parallel during the analog readout period of the signal component of the pixel. Further, by holding the analog signal of the signal component of the pixel in the signal holding unit, AD conversion of the signal component of the row can be performed in parallel during the analog readout period of the reset component of the pixel of the next row.
また、前記信号保持手段はMOSトランジスタと容量素子で構成とし、前記信号保持手段はMOSトランジスタのソースまたはドレイン端子の一端を画素出力に接続し、ソースまたはドレイン端子の他端を容量素子に接続することが好ましい。この構成によれば、容量素子にアナログ信号を保持し、MOSトランジスタを用いて画素出力部と信号保持手段を電気的に接続、遮断することとで、画素のアナログ信号読み出しとAD変換を並列して行うことができる。 The signal holding means is composed of a MOS transistor and a capacitive element, and the signal holding means connects one end of the source or drain terminal of the MOS transistor to the pixel output and connects the other end of the source or drain terminal to the capacitive element. It is preferable. According to this configuration, the analog signal is held in the capacitive element, and the pixel output unit and the signal holding unit are electrically connected and cut off using the MOS transistor, so that the analog signal reading of the pixel and AD conversion are performed in parallel. Can be done.
また、前記信号保持手段を構成する前記MOSトランジスタゲート端子に接続され、アナログ信号保持タイミングを制御する手段を設けることを特徴とすることが好ましい。この構成によれば、MOSトランジスタのゲート端子を任意のタイミングで制御することができ、フル画像読み出し同際、画素混合動作や間引き動作など異なる駆動モードにおいても、各駆動モード毎に最適なタイミングに制御することができる。 Further, it is preferable that a means for controlling an analog signal holding timing is provided connected to the MOS transistor gate terminal constituting the signal holding means. According to this configuration, the gate terminal of the MOS transistor can be controlled at an arbitrary timing, and at the same timing for each driving mode even in different driving modes such as pixel mixing operation and thinning operation at the same time as full image reading. Can be controlled.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素のリセット成分のアナログ出力を信号保持容量に保持する第1のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップと、を有し、列毎に設けるAD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換する第2の期間と、増幅手段が画素の信号成分をアナログ出力する第3の期間と、を重複するが好ましい。 A first step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means and holding an analog output of a reset component of a pixel in a signal holding capacitor; and turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; A second step of cutting off the connection between the storage capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and a second period in which the AD conversion means provided for each column converts the reset component of the pixel into a digital signal; Preferably, the amplifying unit overlaps with the third period in which the signal component of the pixel is analog-output.
この構成によれば、画素のリセット成分を信号保持容量に保持した後に、AD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換する期間に、信号保持容量と画素アナログ出力を電気的に遮断することが可能となるため、増幅手段が画素の信号成分をアナログ出力することが可能となるため、画素アナログ出力とAD変換手段のデジタル変換を並列して行うことができる。 According to this configuration, after the pixel reset component is held in the signal holding capacitor, the signal holding capacitor and the pixel analog output are electrically cut off during a period in which the AD conversion unit converts the pixel reset component into a digital signal. Therefore, the amplifying unit can output the signal component of the pixel in analog, so that the pixel analog output and the digital conversion of the AD conversion unit can be performed in parallel.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素の信号成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第3のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第4のステップと、を有し、複数の画素に設ける増幅手段が画素のリセット成分をアナログ出力する第1の期間と、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換する第4の期間と、を重複することが好ましい。 A third step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means, and holding an analog output of a signal component of a pixel in the signal holding capacitor; and turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; And a fourth step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and a first period during which the amplifying means provided in the plurality of pixels outputs the reset component of the pixel in an analog manner, AD It is preferable that the fourth period in which the conversion means converts the signal component of the pixel into a digital signal overlaps.
この構成によれば、画素の信号成分を信号保持容量に保持した後に、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換する期間に、信号保持容量と画素アナログ出力を電気的に遮断することが可能となるため、増幅手段が次行の画素の信号成分をアナログ出力することが可能となるため、画素アナログ出力とAD変換手段のデジタル変換を並列して行うことができる。 According to this configuration, after the pixel signal component is held in the signal holding capacitor, the signal holding capacitor and the pixel analog output are electrically cut off during a period in which the AD conversion unit converts the pixel signal component into a digital signal. Therefore, the amplifying unit can output the signal component of the pixel in the next row in analog, so that the pixel analog output and the digital conversion of the AD conversion unit can be performed in parallel.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素のリセット成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第1のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップと、を有し、第2のステップの後に前記増幅手段が画素の信号成分をアナログ出力する第5のステップを有することが好ましい。 A first step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means, and holding an analog output of a reset component of a pixel in the signal holding capacitor; turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; A second step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and after the second step, the fifth step in which the amplification means outputs the signal component of the pixel in an analog manner. It is preferable to have.
この構成によれば、画素のリセット成分を信号保持容量に保持した後に、信号保持容量と画素アナログ出力を電気的に遮断することが可能となるため、その後画素の信号成分を読み出した場合において、信号保持容量に保持されたリセット成分を保持することができる。 According to this configuration, after holding the reset component of the pixel in the signal holding capacitor, the signal holding capacitor and the pixel analog output can be electrically cut off. The reset component held in the signal holding capacitor can be held.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素のリセット成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第1のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素の信号成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第3のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第4のステップと、を有し、前記第2のステップから前記4のステップまでの間に、前記増幅手段が画素の信号成分をアナログ出力する第5のステップを有することが好ましい。 A first step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means, and holding an analog output of a reset component of a pixel in the signal holding capacitor; turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; Second step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and turning on the MOS transistor constituting the signal holding means, and holding the analog output of the signal component of the pixel in the signal holding capacitor And a fourth step of turning off the MOS transistor that constitutes the signal holding means and cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal. Between the second step and the fourth step, the amplifying means has a fifth step for outputting the signal component of the pixel in an analog manner. It is preferable.
この構成によれば、第4のステップの後に、画素の信号成分をAD変換する期間に画素信号のアナログ出力部と信号保持手段を電気的に遮断することが可能となり、画素部で発生するFDリークの影響が信号保持手段に伝達されないようにすることができる。 According to this configuration, after the fourth step, the analog output unit of the pixel signal and the signal holding unit can be electrically cut off during the AD conversion period of the signal component of the pixel, and the FD generated in the pixel unit It is possible to prevent the influence of leakage from being transmitted to the signal holding means.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素のリセット成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第1のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップと、を有し、第2のステップの後に列毎に設けるAD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換する第6ステップを有することが好ましい。 A first step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means, and holding an analog output of a reset component of a pixel in the signal holding capacitor; turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; A second step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and AD conversion means provided for each column after the second step converts the reset component of the pixel into a digital signal It is preferable to have a sixth step.
この構成によれば、画素のリセット信号のAD変換期間中に、画素の信号成分の読み出しが開始されたとしても、画素出力部と信号保持手段が電気的に遮断されているため、画素信号成分のアナログ読み出しと画素リセット成分のAD変換動作を並列して行うことができる。 According to this configuration, even if reading of the pixel signal component is started during the AD conversion period of the pixel reset signal, the pixel output unit and the signal holding unit are electrically disconnected, so that the pixel signal component Analog readout and AD conversion operation of the pixel reset component can be performed in parallel.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素のリセット成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第1のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素の信号成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第3のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第4のステップと、を有し、前記第2のステップから前記第3のステップまでの間に、列毎に設けるAD変換手段が画素のリセット成分をデジタル信号に変換する第6ステップを有することが好ましい。 A first step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means, and holding an analog output of a reset component of a pixel in the signal holding capacitor; turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; Second step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and turning on the MOS transistor constituting the signal holding means, and holding the analog output of the signal component of the pixel in the signal holding capacitor And a fourth step of turning off the MOS transistor that constitutes the signal holding means and cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal. Between the step 2 and the third step, AD conversion means provided for each column converts pixel reset components into digital signals. It is preferred to have a sixth step that.
この構成によれば、画素のリセット成分をデジタル信号の変換した後に第4のステップを行うことで、第4のステップが終了した直後から画素信号成分のAD変換動作を開始することができる。 According to this configuration, the AD conversion operation of the pixel signal component can be started immediately after the completion of the fourth step by performing the fourth step after converting the reset component of the pixel into the digital signal.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素の信号成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第3のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第4のステップと、を有し、第4のステップの後に、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換する第7ステップを有することが好ましい。 A third step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means, and holding an analog output of a signal component of a pixel in the signal holding capacitor; and turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; A fourth step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and after the fourth step, AD conversion means converts the signal component of the pixel into a digital signal. It is preferable to have a step.
この構成によれば、第4のステップの後に、画素の信号成分をAD変換する期間に画素信号のアナログ出力部と信号保持手段を電気的に遮断することが可能となり、画素部で発生するFDリークの影響が信号保持手段に伝達されないようにすることができる。 According to this configuration, after the fourth step, the analog output unit of the pixel signal and the signal holding unit can be electrically cut off during the AD conversion period of the signal component of the pixel, and the FD generated in the pixel unit It is possible to prevent the influence of leakage from being transmitted to the signal holding means.
また、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素のリセット成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第1のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをONし、画素の信号成分のアナログ出力を前記信号保持容量に保持する第3のステップと、前記信号保持手段を構成するMOSトランジスタをOFFし、前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第4のステップと、を有し、第4のステップから、次行の第1のステップまでの間に、AD変換手段が画素の信号成分をデジタル信号に変換する第7ステップを有することが好ましい。 A first step of turning on a MOS transistor constituting the signal holding means, and holding an analog output of a reset component of a pixel in the signal holding capacitor; turning off a MOS transistor constituting the signal holding means; Second step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and turning on the MOS transistor constituting the signal holding means, and holding the analog output of the signal component of the pixel in the signal holding capacitor And a fourth step of turning off the MOS transistor that constitutes the signal holding unit and cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal. To the first step of the next row, AD conversion means converts the signal component of the pixel into a digital signal in a seventh step It is preferred to have.
この構成によれば、当該行の画素の信号成分のAD変換期間に次行の画素リセット成分のアナログ出力を行うことができるため、画素のアナログ読み出しとAD変換動作を並列して行うことができる。 According to this configuration, since the analog output of the pixel reset component of the next row can be performed during the AD conversion period of the signal component of the pixel of the row, the analog readout of the pixel and the AD conversion operation can be performed in parallel. .
また、画素リセット成分のアナログ出力開始点から前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップまでの期間と、画素信号成分のアナログ出力開始点から前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第4のステップまでの期間と、を等しくすることが好ましい。 In addition, the period from the analog output start point of the pixel reset component to the second step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal, and the signal holding from the analog output start point of the pixel signal component It is preferable that the period until the fourth step of disconnecting the connection between the capacitor and the analog output unit of the pixel signal is made equal.
この構成によれば、画素リセット読み出しの状態と画素の信号読み出しの状態を同じにすることが可能となる。具体的には、画素SF回路のf特や画素読み出しパルスが印加された後に画素SFの出力が安定するまでのFD部および垂直信号線、信号保持手段の電圧変動を、リセット時と信号読み出し時で等しくすることが可能となるため、CDSでのノイズ除去効果が大きくなる。たとえば、FD部が安定するまでの期間に関して、画素中央部と画素周辺部で差があったとしても、その変動値が画素中央部と画素周辺部で異なったとしても、各々の箇所でリセット時と信号読み出し時で同じであれば、CDSでノイズ除去が可能であり、画像のシェーディング不具合を抑制することが可能となる。つまりリセット読み出し時と信号読み出し時の状態は極力同じにすることが好ましい。 According to this configuration, it is possible to make the pixel reset readout state and the pixel signal readout state the same. Specifically, the voltage fluctuations of the FD portion, the vertical signal line, and the signal holding means until the output of the pixel SF is stabilized after the f characteristic of the pixel SF circuit or the pixel readout pulse is applied, at the time of resetting and at the time of signal readout Therefore, the noise removal effect in the CDS is increased. For example, even if there is a difference between the pixel central portion and the pixel peripheral portion regarding the period until the FD portion is stabilized, even if the variation value differs between the pixel central portion and the pixel peripheral portion, If it is the same at the time of signal readout, noise can be removed by CDS and shading defects of the image can be suppressed. In other words, it is preferable that the state at the time of reset reading and at the time of signal reading be as much as possible.
また、前記アナログ信号保持タイミングの制御手段をカメラシステムとして設けることが好ましい。この構成によれば、MOSトランジスタのゲート端子を任意のタイミングで制御することができ、フル画像読み出し同際、画素混合動作や間引き動作など異なる駆動モードにおいても、各駆動モード毎に最適なタイミングに制御することができる。 The analog signal holding timing control means is preferably provided as a camera system. According to this configuration, the gate terminal of the MOS transistor can be controlled at an arbitrary timing, and at the same timing for each driving mode even in different driving modes such as pixel mixing operation and thinning operation at the same time as full image reading. Can be controlled.
すなわち、画素のアナログ信号読み出し動作とAD変換手段によるAD変換動作を並列して行うことができ、画素読み出しのCDS期間を短縮することができる。CDS期間を短縮することで、上述した1/fノイズの発生を抑制することが可能となり、特に暗時に発生するざら成分を抑制することができる。 That is, the pixel analog signal readout operation and the AD conversion operation by the AD conversion means can be performed in parallel, and the CDS period for pixel readout can be shortened. By shortening the CDS period, it is possible to suppress the occurrence of the above-described 1 / f noise, and it is possible to suppress a rough component that occurs particularly in the dark.
また、画素の信号成分のAD変換期間に、画素信号のアナログ出力部と信号保持手段を電気的に遮断することが可能となり、画素内FD部で発生するリーク成分が信号保持手段に伝達されないようにすることができる。 Further, the analog output portion of the pixel signal and the signal holding means can be electrically cut off during the AD conversion period of the signal component of the pixel, so that the leak component generated in the FD portion in the pixel is not transmitted to the signal holding means. Can be.
更に、画素のリセット成分のアナログ読み出し期間と画素の信号成分のアナログ読み出し期間を等しくすることで画素リセット読み出しの状態と画素の信号読み出しの状態を同じにすることが可能となり、CDSでのノイズ除去効果が大きくなる。たとえば、FD部が安定するまでの期間に関して、画素中央部と画素周辺部で差があったとしても、その変動値が画素中央部と画素周辺部で異なったとしても、各々の箇所でリセット時と信号読み出し時で同じであれば、CDSでノイズ除去が可能であり、画像のシェーディング不具合を抑制することが可能となる。 Further, by making the analog readout period of the pixel reset component and the analog readout period of the pixel signal component equal, it is possible to make the pixel reset readout state and the pixel signal readout state the same, and noise removal in CDS The effect is increased. For example, even if there is a difference between the pixel central portion and the pixel peripheral portion regarding the period until the FD portion is stabilized, even if the variation value differs between the pixel central portion and the pixel peripheral portion, If it is the same at the time of signal readout, noise can be removed by CDS and shading defects of the image can be suppressed.
また、CDS期間を短縮することで、1水平走査期間を短縮することができる。特にAD変換のビット数が多い場合、画素混合など1水平走査期間中に多数行のAD変換動作が必要な場合などにおいては、画素のAD変換期間が画素の水平走査期間よりも長くなるため、CDS期間短縮による高速化の効果が大きくなる。 Further, by shortening the CDS period, one horizontal scanning period can be shortened. In particular, when the number of AD conversion bits is large, the AD conversion period of the pixels becomes longer than the horizontal scanning period of the pixels when AD conversion operations of a large number of rows are required during one horizontal scanning period such as pixel mixing. The effect of speeding up by shortening the CDS period is increased.
以下に、本発明の実施形態(第1、第2の実施形態)に係る固体撮像装置の詳細について説明する。 Details of the solid-state imaging device according to the embodiments (first and second embodiments) of the present invention will be described below.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法について説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a solid-state imaging device and a driving method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る、撮像装置(カメラ機器)、固体撮像装置を示した構造平面図である。 FIG. 1 is a structural plan view showing an imaging device (camera equipment) and a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
図1より、撮像装置100は、固体撮像装置1と、複数の単位画素3が行および列に配列された画素部(撮像部)10と、画素部10の外側に設けられた駆動制御部7と、垂直列ごとに配された信号保持部41と、カラムAD(カラムアナログ/デジタルコンバーター)回路25を有するカラム処理部26と、カラム処理部26のカラムAD回路25にAD変換用の参照電圧を供給するDAC(Digital Analog Converter)を有して構成された参照信号生成部27と、出力回路28とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
また、駆動制御部7は、列アドレスや列走査回路を制御する水平走査回路(列走査回路)12と、行アドレスや行走査回路を制御する垂直走査回路(行走査回路)14と、端子5aを介してマスタークロックCLK0を受け取り、種々の内部クロックを生成し水平走査回路12や垂直走査回路14などを制御する通信・タイミング制御部20を備えている。
The drive control unit 7 also includes a horizontal scanning circuit (column scanning circuit) 12 that controls column addresses and column scanning circuits, a vertical scanning circuit (row scanning circuit) 14 that controls row addresses and row scanning circuits, and a terminal 5a. The communication /
また、各単位画素3は、垂直走査回路14で制御される行制御線15や画素信号をカラム処理部26に伝達する垂直信号線19と接続される。
Each
また、カラムAD回路25は、参照信号生成部27で生成される参照電圧RAMPと、行制御線15(V1、V2、・・・)ごとに単位画素3から垂直信号線19(H0、H1、・・・)、信号保持部41の出力線40(ADIN0、ADIN1、・・・)を経由し得られるアナログの画素信号とを比較する電圧比較部252と、電圧比較部252が比較処理を完了するまでの時間とカウンタ部254を利用してカウントした結果を保持するメモリとして構成されたデータ記憶部256と、を備えて構成され、nビットAD変換機能を有している。
Further, the column AD circuit 25 includes the reference voltage RAMP generated by the
また、電圧比較部252の一方の入力端子RAMPは、他の電圧比較部252の入力端子RAMPと共通に、参照信号生成部27で生成される階段状の参照電圧RAMPが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する垂直列の信号保持部41の出力線40が接続され、画素部10から画素信号電圧が個々に入力される。電圧比較部252の出力信号はカウンタ部254に供給される。
Also, one input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252 receives the stepped reference voltage RAMP generated by the reference
また、ADC(アナログ/デジタルコンバーター)の回路構成について、コンパレータ(電圧比較器)に参照電圧RAMPを供給すると同時にクロック信号でのカウント(計数)を開始し、信号保持部41の出力線40を介して入力されたアナログの画素信号を参照電圧RAMPと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでAD変換を行う。
Further, regarding the circuit configuration of the ADC (analog / digital converter), the reference voltage RAMP is supplied to the comparator (voltage comparator), and at the same time, counting with the clock signal is started, and the
また、この際、AD変換とともに、信号保持部41の出力線40を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル(ノイズレベル)と真の(受光光量に応じた)信号レベルVsigとの差分をとる処理を行う。これによって、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置は、固定パターンノイズ(FPN:Fixed Pattern Noise)やリセットノイズと呼ばれるノイズ信号成分を取り除くことができる。
At this time, the signal level (noise level) immediately after the pixel reset and the true (according to the amount of received light) with respect to the voltage mode pixel signal input through the output line 40 of the
なお、図1では、ノイズレベルをダウンカウントし、信号レベルをアップカウントすることで真の信号レベルVsigのみを取り出す構成であり、このカラムAD回路25でデジタル化された画素データは、水平走査回路12からの水平選択信号により駆動される図示しない水平選択スイッチを介して水平信号線18に伝送され、さらに出力回路28に入力される。
In FIG. 1, only the true signal level Vsig is extracted by down-counting the noise level and up-counting the signal level. The pixel data digitized by the column AD circuit 25 is the horizontal scanning circuit. The signal is transmitted to the
この構成により、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置は、電荷生成部としての受光素子が行列状に配された画素部10からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列上に配された画素部10に対する1枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部10全体の画素信号の集合で示されることとなる。 With this configuration, in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, pixel signals are sequentially transmitted for each vertical column from the pixel unit 10 in which the light receiving elements as charge generation units are arranged in a matrix. Is output. Then, one image, that is, a frame image for the pixel unit 10 in which the light receiving elements are arranged on the matrix is shown as a set of pixel signals of the entire pixel unit 10.
以上、説明したように、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置は、従来例の図7と異なる箇所は、垂直信号線19と電圧比較器252の間に信号保持容量262と信号保持スイッチ263で構成される信号保持部41を設ける点である。
As described above, the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention is different from the conventional example in FIG. 7 in that the
次に、図2は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートであり、この図を用いてカラムAD回路の詳細動作について説明する。 Next, FIG. 2 is a timing chart for explaining the driving method of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. The detailed operation of the column AD circuit will be described with reference to FIG.
まず、1回目の読み出しのため、まず通信・タイミング制御部20は、カウンタ部254のカウント値を初期値"0"にリセットさせるとともに、カウンタ部254をダウンカウントモードに設定する。そして、任意の行Hxの単位画素3から垂直信号線19(H1、H2、・・・)への1回目の読み出しが安定した後、t4のタイミングで、信号保持スイッチ263の制御信号CN11を印加し、信号保持スイッチ263をONさせて、信号保持容量262に画素のリセット信号を入力する。
First, for the first reading, the communication /
また、信号保持容量への信号入力安定した後、t6のタイミングで、信号保持スイッチ263の制御信号CN11の印加を解除し、信号保持スイッチ263をOFFさせて、信号保持容量262に画素のリセット信号を保持する。
In addition, after the signal input to the signal holding capacitor is stabilized, the application of the control signal CN11 of the signal holding switch 263 is canceled at the timing of t6, the signal holding switch 263 is turned OFF, and the pixel holding signal is reset to the
また、通信・タイミング制御部20は、参照信号生成部27に向けて、参照電圧RAMP生成用の制御データ4を供給する。これを受けて、参照信号生成部27は、電圧比較部252の一方の入力端子RAMPへの比較電圧として、全体として鋸歯状(RAMP状)に時間変化させた階段状の波形(RAMP波形)を入力する。電圧比較部252は、このRAMP波形の比較電圧と信号保持部41の信号保持容量262に保持された任意のADC入力線40(ADINx)の画素リセット成分の信号電圧とを比較する。
Further, the communication /
また、電圧比較部252の入力端子RAMPへの参照電圧RAMP波形の参照電圧RAMP入力と同時に、電圧比較部252における比較時間を、行ごとに配置されたカウンタ部254で計測するために、参照信号生成部27から発せられるランプ波形電圧に同期して(t10)、カウンタ部254のクロック端子に通信・タイミング制御部20からカウントクロックCK0を入力し、1回目のカウント動作として、初期値"0"からダウンカウントを開始する。
In addition, at the same time as the reference voltage RAMP input of the reference voltage RAMP waveform to the input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252, the reference signal is used to measure the comparison time in the voltage comparison unit 252 with the counter unit 254 arranged for each row. In synchronization with the ramp waveform voltage generated from the generation unit 27 (t10), the count clock CK0 is input from the communication /
また、電圧比較器252は、参照信号生成部27からのランプ状の参照電圧RAMPとADC入力線40を介して入力される画素リセット成分の信号保持電圧Vxとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をHレベルからLレベルへ反転させる(t12)。つまり、リセット成分Vrstに応じた電圧信号と参照電圧RAMPを比較して、リセット成分Vrstの大きさに対応した時間軸方向の大きさをカウントクロックCK0でカウント(計数)することで、リセット成分Vrstの大きさに対応したカウント値を得る。言い換えれば、カウンタ部254は、RAMP波形の変化の開始時点をカウンタ部254のダウンカウント開始時点として、電圧比較器252の出力が反転するまでダウンカウントすることにより、リセット成分Vrstの大きさに対応したカウント値を得る。
Further, the voltage comparator 252 compares the ramp-shaped reference voltage RAMP from the
また、通信・タイミング制御部20は、所定のダウンカウント期間を経過すると(t14)、電圧比較部252への制御データの供給と、カウント部254へのカウントクロックCK0の供給とを停止する。これにより、電圧比較部252は、ランプ状の参照電圧RAMPの生成を停止する。
In addition, when a predetermined down-count period has elapsed (t14), the communication /
この1回目の読み出し時は、画素信号電圧VxにおけるリセットレベルVrstを電圧比較部252で検知してカウント動作を行っているので、単位画素3のリセット成分ΔVを読み出していることになる。
At the time of the first reading, since the reset level Vrst in the pixel signal voltage Vx is detected by the voltage comparison unit 252 and the count operation is performed, the reset component ΔV of the
したがって、従来技術おいては上述のリセットレベルのAD変換が終了した後に2回目の読み出し動作を開始するが、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法では、画素の信号成分のアナログ読み出し動作と画素のリセット成分のAD変換動作を並列に行い、CDS期間を短縮する構成をとる。 Therefore, in the prior art, the second read operation is started after the above-described reset level AD conversion is completed. However, in the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention, the pixel signal The component analog readout operation and the AD conversion operation of the pixel reset component are performed in parallel to shorten the CDS period.
さらに、図2に示すように、t10のタイミングにてダウンカウントを開始し、リセット信号成分ΔVのAD変換動作を行うと同時に、画素に蓄積された信号成分を読み出す画素読み出しパルスφTRを印加し、垂直信号線19へ画素の信号成分Vsigを出力する。 Further, as shown in FIG. 2, down-counting is started at the timing t10, and AD conversion operation of the reset signal component ΔV is performed, and at the same time, a pixel readout pulse φTR that reads the signal component accumulated in the pixel is applied, The pixel signal component Vsig is output to the vertical signal line 19.
このとき、信号保持スイッチ263の制御信号CN11の印加は解除されており、信号保持スイッチ263はOFF状態であり、画素の信号成分が読み出される垂直信号線19と画素のリセット成分が保持されている信号保持容量262は電気的に遮断されている。
At this time, the application of the control signal CN11 to the signal holding switch 263 is released, the signal holding switch 263 is in the OFF state, and the vertical signal line 19 from which the pixel signal component is read and the pixel reset component are held. The
したがって、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法は、垂直信号線19に画素の信号成分を読み出しても、画素のリセット成分は信号保持容量262に保持させることが出来る。さらに、画素信号読み出し動作を画素リセット成分のAD変換動作を並列して行うこと出来る。
Therefore, the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention can hold the reset component of the pixel in the
さらに、画素信号成分の読み出し動作および画素リセット成分のAD変換が終了すると、続いて2回目の画素信号読み出し動作を開始する。また、2回目の読み出し時には、リセット成分ΔVに加えて、単位画素3ごとの入射光量に応じた信号成分Vsigを読み出す動作を行う。1回目の読み出しと異なる点は、カウンタ部254をアップカウントモードに設定する点である。
Further, when the pixel signal component readout operation and the pixel reset component AD conversion are completed, the second pixel signal readout operation is started. At the time of the second reading, in addition to the reset component ΔV, an operation of reading the signal component Vsig corresponding to the incident light amount for each
また、2回目の読み出し動作のため、t14のタイミングにて、まずカウンタ部254のカウント値を初期値"0"にリセットする。続いて、任意の行Hxの単位画素3から垂直信号線19(H1、H2、・・・)への2回目の読み出しが安定した後、t16のタイミングで、信号保持スイッチ263の制御信号CN11を印加し、信号保持スイッチ263をONさせて、信号保持容量262に画素の信号成分Vsigを入力する。信号保持容量への信号入力が安定した後、t18のタイミングで、信号保持スイッチ263の制御信号CN11の印加を解除し、信号保持スイッチ263をOFFさせて、信号保持容量262に画素の信号成分Vsigを保持する。
For the second read operation, the count value of the counter unit 254 is first reset to the initial value “0” at the timing t14. Subsequently, after the second reading from the
また、信号保持容量262への信号読み出しが安定した後、参照信号生成部27により概ねランプ状となるように階段状に時間変化させた参照電圧RAMPを入力し、任意のADC入力線40を介して入力される画素信号成分の信号保持電圧Vxとの比較を電圧比較部252にて行う。
In addition, after the signal reading to the
このとき、電圧比較部252の一方の入力端子RAMPへの参照電圧RAMPの入力と同時に、電圧比較部252における比較時間をカウンタ部254を利用して計測するために、参照信号生成部27から発せられるランプ波形電圧に同期して(t20)、カウンタ部254は、2回目のカウント動作として、初期値"0"からアップカウントを開始する。
At this time, at the same time when the reference voltage RAMP is input to one input terminal RAMP of the voltage comparator 252, the
また、比較部252は、参照信号生成部27からのランプ状の参照電圧RAMPと任意のADC入力線40を介して入力される画素信号成分の信号保持電圧Vxとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレータ出力をHレベルからLレベルへ反転させる(t22)。
The comparison unit 252 compares the ramp-shaped reference voltage RAMP from the reference
つまり、信号成分Vsigに応じた電圧信号と参照電圧RAMPを比較して、信号成分Vsigの大きさに対応した時間軸方向の大きさをカウントクロックCK0でカウント(計数)することで、信号成分Vsigの大きさに対応したカウント値を得ることが出来る。言い換えれば、カウンタ部254は、RAMP波形の変化の開始時点をカウンタ部254のアップカウント開始時点として、電圧比較器252の出力が反転するまでアップカウントすることにより、信号成分Vsigの大きさに対応したカウント値を得る。 That is, the voltage signal corresponding to the signal component Vsig and the reference voltage RAMP are compared, and the magnitude in the time axis direction corresponding to the magnitude of the signal component Vsig is counted (counted) by the count clock CK0, whereby the signal component Vsig. A count value corresponding to the size of can be obtained. In other words, the counter unit 254 corresponds to the magnitude of the signal component Vsig by counting up until the output of the voltage comparator 252 is inverted with the start point of the RAMP waveform change as the up-counting start point of the counter unit 254. Get the count value.
また、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法は、カウンタ部254におけるカウント動作を、1回目の読み出し時にはダウンカウント、2回目の読み出し時にはアップカウントとしている。 In the driving method of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, the count operation in the counter unit 254 is down-counting at the first reading and up-counting at the second reading.
これによって、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法は、カウンタ部254内で自動的に減算が行われ、カウンタ値0に対して、Vsig信号成分のみをカウント値として取り出すことが出来る。
Thereby, in the driving method of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, subtraction is automatically performed in the counter unit 254, and only the Vsig signal component is extracted as the count value with respect to the
さらに、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法では、カラムAD回路25は、アナログ画素信号をデジタルの画素信号データに変換するデジタル変化部としてだけではなく、CDS(Correlated Double Sampling)処理機能部としても動作させることが出来る。 Furthermore, in the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention, the column AD circuit 25 is not only used as a digital changing unit that converts an analog pixel signal into digital pixel signal data, but also as a CDS (Correlated). It can also be operated as a double sampling processing function unit.
また、AD変換されたデータはデータ記憶部256に転送、保持することで、カウンタ部254の動作前(t30)に、通信・タイミング制御部20からメモリ転送指示パルスCN8に基づき、前行のHx−1のカウント結果をデータ記憶部256に転送する。
Further, the AD converted data is transferred and held in the data storage unit 256, so that before the operation of the counter unit 254 (t30), based on the memory transfer instruction pulse CN8 from the communication /
これにより、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法では、データ記憶部256から水平信号線18および出力回路28を経た外部への信号出力動作と、現行Hxの読み出しおよびカウンタ部254のカウント動作とを並行して行うことができる。
Thereby, in the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention, the signal output operation from the data storage unit 256 to the outside through the
すなわち、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法は、従来例の2回目の信号読み出しと異なる点として、2回目の信号成分のAD変換期間中に、信号保持スイッチ263をOFFすることで、画素信号を出力する垂直信号線19とAD変換を行う信号保持容量262を電気的に遮断している点である。
That is, the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention are different from the second signal reading of the conventional example in the signal holding switch 263 during the AD conversion period of the second signal component. Is turned off to electrically cut off the vertical signal line 19 that outputs a pixel signal and the
こうすることで、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法は、画素内FD部で発生するリーク成分がAD変換の入力部となる信号保持容量262に伝達されないようにすることができる。
By doing so, the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention prevent leakage components generated in the in-pixel FD unit from being transmitted to the
以上説明したように、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法では、画素のアナログ信号読み出し動作とAD変換手段によるAD変換動作を並列して行うことができ、画素読み出しのCDS期間を短縮することができる。 As described above, in the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention, the pixel analog signal readout operation and the AD conversion operation by the AD conversion means can be performed in parallel. The CDS period can be shortened.
さらに、CDS期間を短縮することで、上述した1/fノイズの発生を抑制することが可能となり、特に暗時に発生するざら成分を抑制することができる。 Furthermore, by shortening the CDS period, it is possible to suppress the occurrence of the above-described 1 / f noise, and particularly, it is possible to suppress rough components that occur in the dark.
また、画素の信号成分のAD変換期間に、画素信号のアナログ出力部と信号保持部41を電気的に遮断することができ、画素内FD部で発生するリーク成分が信号保持部41に伝達されないようにすることができる。
Further, the analog output part of the pixel signal and the
その結果、FDリーク起因の暗時ざらやキズといった画像不具合を抑制することができる。 As a result, it is possible to suppress image defects such as dark roughness and scratches caused by FD leakage.
また、CDS期間を短縮することで、1水平走査期間を短縮することができる。特にAD変換のビット数が多い場合、画素混合など1水平走査期間中に多数行のAD変換動作が必要な場合などにおいては、画素のAD変換期間が画素の水平走査期間よりも長くなるため、CDS期間短縮による高速化の効果が大きくなる。 Further, by shortening the CDS period, one horizontal scanning period can be shortened. In particular, when the number of AD conversion bits is large, the AD conversion period of the pixels becomes longer than the horizontal scanning period of the pixels when AD conversion operations of a large number of rows are required during one horizontal scanning period such as pixel mixing. The effect of speeding up by shortening the CDS period is increased.
なお、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法では、画素リセット成分のアナログ出力開始点から前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第2のステップまでの期間(t2〜t6)と、画素信号成分のアナログ出力開始点から前記信号保持容量と前記画素信号のアナログ出力部との接続を遮断する第4のステップまでの期間(t10〜t18)と、を等しくすることがより好ましい。 In the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the first embodiment of the present invention, the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal is cut off from the analog output start point of the pixel reset component. And a period (t10 to t18) from the analog signal output start point of the pixel signal component to a fourth step of cutting off the connection between the signal holding capacitor and the analog output unit of the pixel signal. ) And are more preferably equal.
この構成によれば、画素リセット読み出しの状態と画素の信号読み出しの状態を同じにすることが出来る。具体的には、画素SF回路のf特や画素読み出しパルスが印加された後に画素SFの出力が安定するまでのFD部および垂直信号線、信号保持部41の電圧変動を、リセット時と信号読み出し時で等しくすることができ、CDSでのノイズ除去効果が大きくなる。
According to this configuration, the pixel reset readout state and the pixel signal readout state can be made the same. Specifically, the voltage fluctuations of the FD unit, the vertical signal line, and the
たとえば、FD部が安定するまでの期間に関して、画素中央部と画素周辺部で差があったとしても、その変動値が画素中央部と画素周辺部で異なったとしても、各々の箇所でリセット時と信号読み出し時で同じであれば、CDSでノイズ除去が可能であり、画像のシェーディング不具合を抑制することが可能となる。 For example, even if there is a difference between the pixel central portion and the pixel peripheral portion regarding the period until the FD portion is stabilized, even if the variation value differs between the pixel central portion and the pixel peripheral portion, If it is the same at the time of signal readout, noise can be removed by CDS and shading defects of the image can be suppressed.
以上が、リセット読み出し時と信号読み出し時の状態は極力同じにすることが好ましい理由である。 The above is the reason why it is preferable to make the states at the time of reset reading and signal reading as much as possible.
(第2の実施形態)
以下、図面を参照にしながら、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法について説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a solid-state imaging device and a driving method thereof according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の第2の実施形態に係る、撮像装置、固体撮像装置の装置構成は、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る撮像装置、固体撮像装置と同じである。 First, the device configuration of the imaging device and solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the imaging device and solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
次に、図3は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 Next, FIG. 3 is a timing chart for explaining a driving method of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
図3に示された、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法と、図2に示された本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法と異なる点は第x+1行の画素リセット信号φRSの印加位置を第x行の信号成分のAD変換期間中に印加している点である。 3 is different from the driving method of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3 and the driving method of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. Is that the application position of the pixel reset signal φRS of the (x + 1) th row is applied during the AD conversion period of the signal component of the xth row.
すなわち、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、t18のタイミングで第x行の画素信号成分は信号保持容量262に保持され、画素出力となる垂直信号線19と信号保持容量262は電気的に遮断される。
That is, in the driving method of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, the pixel signal component in the x-th row is held in the
そのため、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、画素信号出力のAD変換期間中に、第x+1行のリセット動作を行い、垂直信号線19に第x+1行のリセット成分を読み出したとしても第x行の信号成分のAD変換に必要な電圧は、信号保持容量262に保持することができる。
Therefore, in the driving method of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, the reset operation of the (x + 1) th row is performed during the AD conversion period of the pixel signal output, and the reset component of the (x + 1) th row is applied to the vertical signal line 19. Can be held in the
さらに、図2、図3から、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法は、第x+1行の画素のリセット成分のアナログ読み出しと第x行の画素の信号成分のAD変換を並行して行うことができるため、AD変換期間を短縮することができる。 Further, from FIGS. 2 and 3, the driving method of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention is the analog readout of the reset component of the pixel in the x + 1th row and the AD conversion of the signal component of the pixel in the xth row. Can be performed in parallel, so that the AD conversion period can be shortened.
(第1、第2の実施形態の固体撮像装置と、参考技術との比較)
以下に、本発明の理解を容易とするため、図10〜13に示す参考技術を参照しながら、本発明の実施形態(第1、第2の実施形態)に係る固体撮像装置およびその駆動方法とを比較する。
(Comparison between the solid-state imaging device of the first and second embodiments and the reference technology)
Hereinafter, in order to facilitate understanding of the present invention, a solid-state imaging device and a driving method thereof according to embodiments (first and second embodiments) of the present invention will be described with reference to reference techniques shown in FIGS. And compare.
図10は、列ADCを設けない列並列出力型のアナログ回路を搭載した参考技術を示した固体撮像装置である。 FIG. 10 is a solid-state imaging device showing a reference technique in which a column parallel output type analog circuit without a column ADC is mounted.
図10より、図7との違いとしてAD変換のための電圧比較器252、カウンタ254がない点である。その代わり、アナログCDS回路44と記載するノイズキャンセル回路と信号保持部41が存在する。
FIG. 10 is different from FIG. 7 in that there is no voltage comparator 252 and counter 254 for AD conversion. Instead, there is a noise cancellation circuit and a
また、図11に示すように、アナログCDS回路44はさまざまな回路方式がある。
また、図12は、参考技術を示した固体撮像装置の画素の構成図である。
Further, as shown in FIG. 11, the analog CDS circuit 44 has various circuit methods.
FIG. 12 is a configuration diagram of a pixel of the solid-state imaging device showing the reference technique.
図12中の、φRSは画素のリセットパルスであり、画素FD部を"HI"にリセットすることでT12増幅トランジスタと各列で共通の電流源で構成される画素SFをアクティブ状態とし、画素を選択することができる。 In FIG. 12, φRS is a pixel reset pulse. By resetting the pixel FD section to “HI”, the pixel SF composed of a current source common to the T12 amplification transistor and each column is activated, and the pixel is You can choose.
また、φTRは画素内のフォトダイオードに蓄積された信号電荷をFD部に読み出すパルスである。画素非選択動作についてのタイミングは省略しているが、電源信号線φVDDを"LOW"として、再びφRSを印加することで、FD部の電圧を"LOW"にする。画素SFを非アクティブ状態とすることで、画素を非選択状態にすることができる。 ΦTR is a pulse for reading the signal charge accumulated in the photodiode in the pixel to the FD portion. Although the timing for the pixel non-selection operation is omitted, the power supply signal line φVDD is set to “LOW” and φRS is applied again to set the voltage of the FD portion to “LOW”. By setting the pixel SF to an inactive state, the pixel can be set to a non-selected state.
図13(a)は、参考技術を示した固体撮像装置であり、アナログ回路で構成される列並列出力型の画素読み出しタイミングを示したタイミングチャートである。 FIG. 13A is a solid-state imaging device showing a reference technique, and is a timing chart showing a column parallel output type pixel readout timing constituted by an analog circuit.
図13(a)より、φRSaが印加され画素のリセット成分が読み出される。また、リセット成分の読み出しが安定した後に、φTRaを印加し、画素のリセット成分を含んだ信号成分の読み出しが行われる。リセットのノイズ成分に関しては図11に示した容量素子281、284で構成されるCDS回路にてノイズ除去され、信号成分のみが容量素子284に保持される。
From FIG. 13A, φRSa is applied and the reset component of the pixel is read out. Further, after the reset component readout is stabilized, φTRa is applied to read out the signal component including the reset component of the pixel. The reset noise component is removed by the CDS circuit configured by the
一方、図13(b)は、図7に示した固体撮像装置であり、AD回路で構成される画素読み出しタイミングを示したタイミングチャートである。 On the other hand, FIG. 13B is a timing chart showing the pixel readout timing constituted by the AD circuit in the solid-state imaging device shown in FIG.
図13(b)より、φRSbが印加された後に、カラムADC動作が行われるため、φTRbの印加されるタイミングがφTRaのアナログ回路で構成される画素読み出しタイミングに対して遅れる。 As shown in FIG. 13B, since the column ADC operation is performed after φRSb is applied, the timing at which φTRb is applied is delayed with respect to the pixel readout timing constituted by the analog circuit of φTRa.
以上の説明から、参考技術からなる固体撮像装置では、特にAD変換のビット数が増えることは、または、画素混合等の駆動動作により1水平走査期間内に必要なAD変換期間が長くなると、1水平走査期間が長くなり、高速読み出しが困難となる。 From the above description, in the solid-state imaging device according to the reference technology, especially when the number of AD conversion bits increases, or when a necessary AD conversion period becomes longer within one horizontal scanning period due to a driving operation such as pixel mixing, 1 The horizontal scanning period becomes long and high-speed reading becomes difficult.
しかし、本発明の実施形態(第1、第2の実施形態)に係る固体撮像装置およびその駆動方法は、AD回路入力部に画素のリセット成分の信号保持部41を設けられており、画素の信号成分のアナログ読み出し動作と画素のリセット成分のAD変換動作を並列に行ことにより、高速読み出しを実現することが出来る。
However, in the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the embodiments (first and second embodiments) of the present invention, the
さらに、図7に示した固体撮像装置では、AD回路で構成されるタイミングは、信号成分のAD動作が終了するまで、次行のリセット動作を行うことができないため、同様に1水平走査期間が長くなり、高速読み出しが困難となる。 Furthermore, in the solid-state imaging device shown in FIG. 7, the timing constituted by the AD circuit cannot perform the reset operation for the next row until the AD operation of the signal component is completed. It becomes long and high-speed reading becomes difficult.
しかし、本発明の実施形態(第1、第2の実施形態)に係る固体撮像装置およびその駆動方法は、AD回路入力部に画素の信号成分の信号保持部41を設け、画素のリセット成分のアナログ読み出し動作と画素の信号成分のAD変換動作を並列に行うことにより、高速読み出しを実現することが出来る。
However, in the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the embodiments (first and second embodiments) of the present invention, the
さらに、図14を用いて、図7に示した固体撮像装置における、1/fノイズの増加、FDリークの増加について詳細に説明する。 Furthermore, an increase in 1 / f noise and an increase in FD leakage in the solid-state imaging device shown in FIG. 7 will be described in detail with reference to FIG.
参考技術では、1/fノイズとは、電子が流れるチャネル(Si・SiO2界面)付近の未結合ボンドの影響によりチャネル電荷を捕獲したり、放出したりするものである。例えば電子が捕獲されると、捕獲された電子とチャネルを走行する電子との間にクーロン反発力が働き、ドレイン電流が少なくなる。一方、チャネルが放出されるとその逆でドレイン電流が増加する。このように、ドレイン電流は離散的に変化するため、これがドレイン電流のノイズとなる。1/fノイズはノイズパワーvn2、周波数f、トランジスタ幅W、トランジスタ長L、絶縁酸化膜dox、誘電率e、トラップ密度nt、電荷qとして、
vn2/f=(q2・dox2・nt)/(e2・W・L・f)
と表すことができ、1/fの関数となる。つまり低周波側でのノイズの影響が特に大きくなる。式からも分かるようにCDS期間が長くなり低周波動作になると、電子が捕獲、放出される確率が高くなり1/fノイズが劣化する。また、1/fノイズはトランジスタのW・Lに反比例するため、特に画素に用いられる微細トランジスタではその影響が顕著となる。
In the reference technology, 1 / f noise is a trap or discharge of channel charge due to the influence of an unbonded bond near the channel (Si / SiO 2 interface) through which electrons flow. For example, when electrons are captured, a Coulomb repulsive force acts between the captured electrons and electrons traveling through the channel, and the drain current is reduced. On the other hand, when the channel is released, the drain current increases in reverse. Thus, since the drain current changes discretely, this becomes noise of the drain current. 1 / f noise is expressed as noise power vn 2 , frequency f, transistor width W, transistor length L, insulating oxide film dox, dielectric constant e, trap density nt, charge q,
vn 2 / f = (q 2 · dox 2 · nt) / (e 2 · W · L · f)
It becomes a function of 1 / f. That is, the influence of noise on the low frequency side becomes particularly large. As can be seen from the equation, when the CDS period becomes longer and the operation becomes low frequency, the probability that electrons are captured and emitted increases and 1 / f noise deteriorates. Further, since 1 / f noise is inversely proportional to the W · L of the transistor, the influence is particularly remarkable in a fine transistor used in a pixel.
次にFDリークについて説明する。図14は画素FD部にFDリークが発生した場合のタイミングチャートを示す。FD部のリーク成分をΔVleakとし、リセット読み出し時に発生するFD部のリーク成分をΔVleak_r、信号読み出し時に発生するFD部のリーク成分をΔVleak_sとすると、リセット読み出し期間は光量に依存しないため、ΔVleak_rは各画素でほぼ一定であるのに対して、ΔVleak_sは光量が多くなるとFD部の信号保持期間が長くなり、ΔVleak_sはΔVleak_rよりも大きくなる。 Next, the FD leak will be described. FIG. 14 is a timing chart when an FD leak occurs in the pixel FD portion. Assuming that the leakage component of the FD part is ΔVleak, the leakage component of the FD part that occurs at the time of reset reading is ΔVleak_r, and the leakage component of the FD part that occurs at the time of signal reading is ΔVleak_s, the reset reading period does not depend on the amount of light. Whereas the amount of light in ΔVleak_s increases as the amount of light increases, ΔVleak_s becomes longer than ΔVleak_r.
つまり仮にリセット読み出しおよび信号読み出し時のリーク成分の差分をとったとしても、ΔVleak成分は残ることを意味する。また、前記リーク成分の差分をとる回路を新たに設けない場合、信号読み出し時のFDリーク成分はΔVleak_r+ΔVleak_sとなるため、参考技術のCDS構成では、ΔVleak_sがそのままFDリーク起因のノイズとして画像に表れる。 That is, even if the difference between the leak component at the time of reset reading and signal reading is taken, it means that the ΔV leak component remains. Further, when a circuit for calculating the difference between the leak components is not newly provided, the FD leak component at the time of signal reading is ΔVleak_r + ΔVleak_s. Therefore, in the CDS configuration of the reference technique, ΔVleak_s appears as it is in the image as noise caused by the FD leak.
ΔVleakは画素毎に固有の値をとるため、固定位置のざらやキズが増加する画像不具合を発生する。また、固定ざらやキズのみではなく、FD部の電圧がリークにより低下するため、画素SF回路のダイナミックレンジが低下する不具合や、光量によってリーク成分が異なることにより入射光量に対するリニアリティが劣化する課題も発生する。 Since ΔVleak takes a unique value for each pixel, an image defect that increases roughness and scratches at a fixed position occurs. In addition to the fixed roughness and scratches, the voltage of the FD section decreases due to leakage, so there is a problem that the dynamic range of the pixel SF circuit decreases, and the problem that the linearity with respect to the incident light amount deteriorates due to the difference in the leak component depending on the light amount. appear.
しかしながら、本発明の実施形態(第1、第2の実施形態)に係る固体撮像装置およびその駆動方法は、AD回路入力部に画素の信号成分の信号保持部41を設け、画素の信号成分のAD変換動作中に画素のアナログ信号出力部とAD回路入力部の信号保持部41とを電気的に遮断することにより、固定位置のざらやキズが増加する画像不具合を防ぎ、また、固定ざらやキズのみではなく、FD部の電圧がリークにより低下するため、画素SF回路のダイナミックレンジが低下する不具合を防ぎ、光量によってリーク成分が異なることにより入射光量に対するリニアリティが劣化する課題も解決することが出来る。
However, in the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the embodiments (first and second embodiments) of the present invention, the
なお、第1の実施形態、第2の実施形態の回路構成図として、信号保持部41をスイッチで示したが、図4に示すとおり、NchとPchのペアトランジスタで構成してもよい。Nch、Pchのペアトランジスタで構成することで、垂直信号線19(H0、H1・・・の出力電圧をグランドレベルから電源レベルまで電圧降下なしに通すことができる。
In addition, as the circuit configuration diagram of the first embodiment and the second embodiment, the
なお、図4ではNchとPchのペアトランジスタを示したが、例えば垂直信号線19の出力レベルがグランドレベルから電源レベルまで振れない場合は、出力レベルに応じてNchのみの構成であっても、Pchのみの構成であってもよい。 FIG. 4 shows a pair transistor of Nch and Pch. For example, when the output level of the vertical signal line 19 cannot swing from the ground level to the power supply level, even if only Nch is configured according to the output level, A configuration with only Pch may be used.
なお、第1の実施形態、第2の実施形態は垂直信号線と信号保持部41を直接接続したが、図5に示すように垂直信号線と信号保持部41の間にカラムアンプを設けてもよい。カラムアンプを設けることで、画素SFの電圧出力を増幅することが可能となり、S/Nの改善やゲインの切り替えが可能となる。
In the first and second embodiments, the vertical signal line and the
カラムアンプの構成の一例を図6に示す。図6はソース接地型のアンプで容量素子276および277の比でアンプのゲインを決める構成である。
An example of the configuration of the column amplifier is shown in FIG. FIG. 6 shows a configuration in which the gain of the amplifier is determined by the ratio of the
なお、図6は回路の1例であり、画素SFの電圧信号を増幅するアナログアンプであれば本発明の効果を同様に得ることができるため、この構成にとらわれない。 Note that FIG. 6 is an example of a circuit, and an analog amplifier that amplifies the voltage signal of the pixel SF can similarly obtain the effects of the present invention, and is not limited to this configuration.
電圧比較部252の構成の一例を図8に示す。図8は差動入力型のアンプ構成であるが、図8に示す画素信号部に電圧を保持し、その信号電圧をAD変換する構成であれば、本発明の効果を同様に得ることができるため、この構成にとらわれない。 An example of the configuration of the voltage comparison unit 252 is shown in FIG. Although FIG. 8 shows a differential input type amplifier configuration, the effect of the present invention can be similarly obtained if the pixel signal section shown in FIG. 8 holds a voltage and AD converts the signal voltage. Therefore, it is not bound by this configuration.
また、本発明の各実施形態の固体撮像装置では、AD変換構成としてカラム部にカウンタを設ける構成であるが、リセット成分と信号成分をそれぞれ読み出し、AD変換する構成であれが、本発明の効果を同様に得ることができるため、この構成にとらわれない。 Further, in the solid-state imaging device according to each embodiment of the present invention, a counter is provided in the column unit as an AD conversion configuration. However, the effects of the present invention can be achieved regardless of the configuration in which a reset component and a signal component are read and AD converted. Can be obtained in the same manner, and is not limited to this configuration.
例えば、従来技術(図9)として説明しているカラム内のラッチ回路部と全カラムで共通のカウンタ部で構成されるAD変換構成においても、リセット成分と信号成分を時系列にそれぞれ読み出す構成であることから、垂直信号線と電圧比較部の間に信号保持部を設けることで、本発明と同様の効果を得ることができる。 For example, even in an AD conversion configuration including a latch circuit unit in a column and a counter unit common to all columns, which is described as the prior art (FIG. 9), a configuration in which a reset component and a signal component are read in time series, respectively. Therefore, by providing a signal holding unit between the vertical signal line and the voltage comparison unit, it is possible to obtain the same effect as the present invention.
また、本発明の各実施形態の固体撮像装置では、上記タイミング制御を図1に示す通信・タイミング制御部20より行っているが、固体撮像装置外部のシステムとして、図1に示すDATA入力を制御してもよい。
Further, in the solid-state imaging device of each embodiment of the present invention, the timing control is performed by the communication /
具体的には、図1に撮像装置100において、点線で囲った固体撮像装置1に対して、45外部システムを記載しているが、点線で囲った固体撮像装置内の通信・タイミング制御部20を固体撮像装置1の外に出しても良い、ということである。
Specifically, in FIG. 1, 45 external systems are described for the solid-
これにより、固体撮像装置外部のシステムとして制御することが可能となり、フル画像読み出しモードや画素混合モード、間引きモード等フレームレートの異なる任意の駆動モードに対して任意に駆動タイミングを設定することが可能となる。 This makes it possible to control the system as a system outside the solid-state imaging device, and to arbitrarily set the drive timing for any drive mode with different frame rates, such as full image readout mode, pixel mixing mode, and thinning mode. It becomes.
また、上記各実施形態における固体撮像装置はデジタルカメラ等に搭載される。このデジタルカメラは、被写体からの入射光を固体撮像素子の撮像面に結像するためのレンズなどを含む光学系と、固体撮像素子の駆動を制御する制御部と、固体撮像素子の出力信号に対して様々な信号処理を施す画像処理部とを備えている。 The solid-state imaging device in each of the above embodiments is mounted on a digital camera or the like. This digital camera includes an optical system including a lens for imaging incident light from a subject on an imaging surface of a solid-state image sensor, a control unit that controls driving of the solid-state image sensor, and an output signal of the solid-state image sensor. And an image processing unit for performing various signal processing.
以上説明したように、本発明の固体撮像装置およびその駆動方法は、デジタルカメラやビデオカメラやカメラ付き携帯電話機等の撮像装置に有用である。 As described above, the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention are useful for imaging devices such as digital cameras, video cameras, and camera-equipped mobile phones.
1 固体撮像装置
3 単位画素
10 画素部
12 水平走査回路
14 垂直走査回路
18 水平信号線
19 垂直信号線
20 通信・タイミング制御部
25 カラムAD回路
26 カラム処理部
27 参照信号生成部
27a DA変換部
28 出力回路
41 信号保持部
42 カラムアンプ
44 アナログCDS回路
254 カウンタ部
262 信号保持容量
263 信号保持スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記画素部の列毎に設けられ、前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を保持する信号保持手段と、
前記画素部の列毎に設けられ、前記信号保持手段に保持されたアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換手段と、
前記画素部、前記信号保持手段および前記AD変換手段を駆動する駆動制御手段とを備え、
前記複数の単位画素のそれぞれは、
光を信号電荷に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段から転送される信号電荷を保持する電荷保持手段と、
前記電荷保持手段の信号電荷を増幅する増幅手段と、
前記電荷保持手段の信号電荷をリセットするリセット手段とを備え、
前記駆動制御手段は、第1〜第4の期間の各動作を駆動し、
前記第1の期間では、前記電荷保持手段が前記リセット手段によりリセットされた状態で、前記増幅手段から出力されるリセット成分のアナログ信号を前記画素部から読み出し、
前記第2の期間では、前記信号保持手段に保持された前記リセット成分のアナログ信号をデジタル信号に変換し、
前記第3の期間では、前記電荷保持手段が前記光電変換手段から転送された信号電荷を保持した状態で、前記増幅手段から出力される信号成分のアナログ信号を前記画素部から読み出し、
前記第4の期間では、前記信号保持手段に保持された前記信号成分のアナログ信号をデジタル信号に変換し、
前記駆動制御手段は、前記複数の単位画素のうち第1の行に属する単位画素に対する前記第2の期間と、前記第1の行に属する単位画素に対する前記第3の期間とが重複するように駆動する
ことを特徴とする固体撮像装置。 A pixel portion in which a plurality of unit pixels are arranged in rows and columns ;
A signal holding unit that is provided for each column of the pixel unit and holds an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels ;
AD conversion means that is provided for each column of the pixel portion and converts an analog signal held in the signal holding means into a digital signal ;
Drive control means for driving the pixel portion, the signal holding means and the AD conversion means,
Each of the plurality of unit pixels is
Photoelectric conversion means for converting light into signal charge;
Charge holding means for holding signal charges transferred from the photoelectric conversion means;
Amplifying means for amplifying the signal charge of the charge holding means;
Resetting means for resetting the signal charge of the charge holding means,
The drive control means drives each operation in the first to fourth periods,
In the first period, an analog signal of a reset component output from the amplifying unit is read from the pixel unit in a state where the charge holding unit is reset by the reset unit,
In the second period, the analog signal of the reset component held in the signal holding unit is converted into a digital signal,
In the third period, in the state where the charge holding unit holds the signal charge transferred from the photoelectric conversion unit, the analog signal of the signal component output from the amplification unit is read from the pixel unit,
In the fourth period, the analog signal of the signal component held in the signal holding unit is converted into a digital signal,
The drive control unit is configured so that the second period for the unit pixels belonging to the first row of the plurality of unit pixels overlaps the third period for the unit pixels belonging to the first row. A solid-state imaging device that is driven .
前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子と
を有することを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The signal holding means is
A switch element connected to a column signal line for transmitting an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels ;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a capacitive element that is connected to the column signal line via the switch element and holds the analog signal.
前記AD変換手段による変換動作中に前記スイッチ素子をオフ状態に維持し、
前記AD変換手段による変換動作と、前記画素部から前記列信号線にアナログ信号を読み出す動作とを並列に駆動する
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 The drive control means includes
Maintaining the switch element in an OFF state during the conversion operation by the AD conversion means;
A conversion operation by the AD converting means, you drive in parallel and an operation of reading the analog signal to the column signal line from the pixel unit
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the this.
前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、
前記駆動制御手段は、前記スイッチ素子をオンすることによって前記第1の期間で出力される前記リセット成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第2の期間における変換の間前記スイッチ素子をオフ状態にする
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The signal holding means is
A switch element connected to a column signal line for transmitting an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels ;
A capacitor element connected to the column signal line via the switch element and holding the analog signal;
Said drive control means, the analog signal of the reset component outputted by said first period by turning on the switching element is held in the capacitor element, the switching element in the conversion during the second period The solid-state imaging device according to claim 1 , wherein the solid-state imaging device is turned off.
前記第1の行に属する単位画素に対する前記第4の期間と前記複数の単位画素のうち前記第1の行以外の行に属する単位画素に対する前記第1の期間とが重複するように駆動する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 The drive control means includes
The said first period for the unit pixels belonging to a row other than the first row of the fourth period and the plurality of unit pixels for a unit pixel belonging to the first row is driven so as to overlap The solid-state imaging device according to claim 1 .
前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、
前記駆動制御手段は、
前記スイッチ素子をオンすることによって前記第3の期間で出力される前記信号成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第4の期間における変換の間前記スイッチ素子をオフ状態に維持する
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置。 The signal holding means is
A switch element connected to a column signal line for transmitting an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels ;
A capacitor element connected to the column signal line via the switch element and holding the analog signal;
The drive control means includes
Said analog signal of the signal component outputted by said third period by turning on the switch element is held in the capacitor element, for maintaining the switching element in the conversion during the fourth period of the OFF state The solid-state imaging device according to claim 5 .
前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、
前記駆動制御手段は、
前記スイッチ素子をオンすることによって前記第1の期間で出力される前記リセット成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第2の期間における変換の間前記スイッチ素子をオフ状態にし、
前記スイッチ素子をオンすることによって前記第3の期間で出力される前記信号成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第4の期間における変換の間前記スイッチ素子をオフ状態に維持する
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置。 The signal holding means is
A switch element connected to a column signal line for transmitting an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels ;
A capacitor element connected to the column signal line via the switch element and holding the analog signal;
The drive control means includes
The analog signal of the reset component outputted by said first period by turning on the switch element is held in the capacitor element, the switching element in the conversion during the second period to the OFF state,
Said analog signal of the signal component outputted by said third period by turning on the switch element is held in the capacitor element, for maintaining the switching element in the conversion during the fourth period of the OFF state The solid-state imaging device according to claim 5 .
前記画素部の列毎に設けられ、前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を増幅し、前記スイッチ素子を介して前記容量素子に接続されたカラムアンプを備えることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device may further provided for each column of the pixel portion, corresponding to amplify the analog signal outputted from the unit pixel in a column, before Symbol capacity through the switching element of the plurality of unit pixels The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising a column amplifier connected to the element.
前記AD変換手段による変換動作中に前記スイッチ素子をオフ状態に維持し、
前記AD変換手段による変換動作と、前記画素部から前記列信号線にアナログ信号を読み出す動作とを並列に駆動する
ことを特徴とする請求項8記載の固体撮像装置。 The drive control means includes
Maintaining the switch element in an OFF state during the conversion operation by the AD conversion means;
A conversion operation by the AD converting means, you drive in parallel and an operation of reading the analog signal to the column signal line from the pixel unit
The solid-state imaging device according to claim 8, wherein the this.
前記画素部の列毎に設けられ、前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を保持する信号保持手段と、A signal holding unit that is provided for each column of the pixel unit and holds an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels;
前記画素部の列毎に設けられ、前記信号保持手段に保持されたアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換手段と、AD conversion means that is provided for each column of the pixel portion and converts an analog signal held in the signal holding means into a digital signal;
前記画素部、前記信号保持手段および前記AD変換手段を駆動する駆動制御手段とを備え、Drive control means for driving the pixel portion, the signal holding means and the AD conversion means,
前記複数の単位画素のそれぞれは、Each of the plurality of unit pixels is
光を信号電荷に変換する光電変換手段と、 Photoelectric conversion means for converting light into signal charge;
前記光電変換手段から転送される信号電荷を保持する電荷保持手段と、Charge holding means for holding signal charges transferred from the photoelectric conversion means;
前記電荷保持手段の信号電荷を増幅する増幅手段と、 Amplifying means for amplifying the signal charge of the charge holding means;
前記電荷保持手段の信号電荷をリセットするリセット手段とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、A solid-state imaging device driving method comprising: reset means for resetting signal charges of the charge holding means,
前記電荷保持手段が前記リセット手段によりリセットされた状態で、前記増幅手段から出力されるリセット成分のアナログ信号を前記画素部から読み出す第1のステップと、A first step of reading out an analog signal of a reset component output from the amplification unit from the pixel unit in a state where the charge holding unit is reset by the reset unit;
前記信号保持手段に保持された前記リセット成分のアナログ信号をデジタル信号に変換する第2のステップと、A second step of converting the analog signal of the reset component held in the signal holding means into a digital signal;
前記電荷保持手段が前記光電変換手段から転送された信号電荷を保持した状態で、前記増幅手段から出力される信号成分のアナログ信号を前記画素部から読み出す第3のステップと、A third step of reading out an analog signal of a signal component output from the amplification unit from the pixel unit in a state where the charge holding unit holds the signal charge transferred from the photoelectric conversion unit;
前記信号保持手段に保持された前記信号成分のアナログ信号をデジタル信号に変換する第4のステップとを備え、A fourth step of converting the analog signal of the signal component held in the signal holding means into a digital signal,
前記複数の単位画素のうち第1の行に属する単位画素に対する前記第2のステップと、前記第1の行に属する単位画素に対する前記第3のステップとを並列で行うThe second step for the unit pixels belonging to the first row among the plurality of unit pixels and the third step for the unit pixels belonging to the first row are performed in parallel.
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。A method for driving a solid-state imaging device.
前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、A switch element connected to a column signal line for transmitting an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels;
前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、A capacitor element connected to the column signal line via the switch element and holding the analog signal;
前記スイッチ素子をオンすることによって前記第1のステップで出力される前記リセット成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第2のステップにおける変換の間前記スイッチ素子をオフ状態にするBy turning on the switch element, the analog signal of the reset component output in the first step is held in the capacitor element, and the switch element is turned off during the conversion in the second step.
ことを特徴とする請求項11記載の固体撮像装置の駆動方法。The method for driving a solid-state imaging device according to claim 11.
ことを特徴とする請求項11記載の固体撮像装置の駆動方法。The method for driving a solid-state imaging device according to claim 11.
前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、A switch element connected to a column signal line for transmitting an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels;
前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、A capacitor element connected to the column signal line via the switch element and holding the analog signal;
前記スイッチ素子をオンすることによって前記第3のステップで出力される前記信号成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第4のステップにおける変換の間前記スイッチ素子をオフ状態に維持するBy turning on the switch element, the capacitor element holds the analog signal of the signal component output in the third step, and maintains the switch element in the off state during the conversion in the fourth step.
ことを特徴とする請求項13記載の固体撮像装置の駆動方法。The method for driving a solid-state imaging device according to claim 13.
前記複数の単位画素のうち対応する列中の単位画素から出力されるアナログ信号を伝達する列信号線に接続されたスイッチ素子と、A switch element connected to a column signal line for transmitting an analog signal output from a unit pixel in a corresponding column among the plurality of unit pixels;
前記スイッチ素子を介して前記列信号線に接続され、前記アナログ信号を保持する容量素子とを有し、A capacitor element connected to the column signal line via the switch element and holding the analog signal;
前記スイッチ素子をオンすることによって前記第1のステップで出力される前記リセット成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第2のステップにおける変換の間前記スイッチ素子をオフ状態にし、By turning on the switch element, the capacitor element holds the reset component analog signal output in the first step, and the switch element is turned off during the conversion in the second step,
前記スイッチ素子をオンすることによって前記第3のステップで出力される前記信号成分のアナログ信号を前記容量素子に保持させ、前記第4のステップにおける変換の間前記スイッチ素子をオフ状態に維持するBy turning on the switch element, the capacitor element holds the analog signal of the signal component output in the third step, and maintains the switch element in the off state during the conversion in the fourth step.
ことを特徴とする請求項13記載の固体撮像装置の駆動方法。The method for driving a solid-state imaging device according to claim 13.
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